机械阻抗法测量基村承载力

1 机械阻抗法测量基桩承载力原地试验研究机械阻抗法测量基桩承载力原地试验研究 王恩福 赵国存 张国宏 中国地震局地壳应力研究所 摘要 本文简要讨论了瞬态机械阻抗法测量基桩动刚度的动力学机理 并结合现场工程桩进行 瞬态机械阻抗法 静载荷试验和基桩埋藏条件的对比试验研究 进一步证明瞬态机械阻抗法 推算单桩承载力标准值是一种较为可靠的测量方法 一 瞬态机械阻抗法测量基桩动刚度 如图 1 所示 通常将桩土体系假设为一单自由度阻尼振 动系统 在外力作用下 桩体应变足够的小并且基桩作有阻 尼强迫振动 其振动方程为 式中 M 为参振体系总质量 C 为振动体系阻尼 K 为桩土体系动刚度 为便于讨论 作如下假定 于是 1 式变为 与方程 2 的等价方程为 方程 3 的特解为 方程 2 特解与方程 3 特解的虚部等价 即 对 4 式微分 得到速度表达式 式中 R 为速度响应幅值 2 2 tFKx dt dx C dt xd M 1 1 tFtF M K M C n sin 2 令 M tF x dt dx dt xd n sin 2 2 2 2 1 2 ti ne M F x dt dx dt xd 2 2 2 2 1 3 sin cos 1 tiRtRtx 1 4 tRtxsin 4 1 2 n M F R tRtxcos 2 为速度响应初相位 动态放大系数 A 在推算单桩容许承载力时相当于动静比 二 现场模型桩试验研究 1 试验场地地层情况 试验场地大致可分为如下 5 层 粉细砂 砂质粉土 层 层厚 2 5m 5 0m 粉质粘土 层 层厚 1 55m 5 0m 砂质粉土 层 层厚 1 55m 2 4m 粉细砂 层 层厚 1 4m 5 0m 圆砾 层 该层作为桩端持力层 2 桩周土对基桩动刚度的影响 本次试验选择了 10 根钻孔灌注桩 基桩参数为 桩径 D 800mm 桩长 L 10 4 10 9m 试验目的 研究桩周土对基桩动刚度的影响 1 由基桩承载力标准值设计经验公式计算单桩承载力 式中 u 为基桩周长 m qsi为各层桩周土侧摩阻力标准值 kPa Li为各层土对应的桩长 m qp为桩端持力层承载力标准值 kPa Ap为桩端横截面积 m2 s p为大直径桩桩侧阻 端阻尺寸效应系数 本试验取 1 如附图 1 所示对 F7 F8 F2 F6 E7 E4 G7 G4 G8 G5 号桩采用 瞬态机械阻抗法测量动刚度 其中 E7 F7 F8 G7 G8 号桩由地面以下 6m 深的隧道揭露 1 3 周长被裸露 由经验公式 2 1 计算 未被扰动基桩的平 n arctg 2 并称为动态放大系数令 4 1 1 2 nn A 并称为动态放大系数 用下动刚度表达式得到桩土体系在外力作并由 M K n 并由得到桩土体系在外力作用下动刚度表达式 ppp n i isisu AqLquR 1 2 1 A F tx f Kd 2 3 A F tx f K M M d 2 均单桩承载力标准值 RK 2298kN 而被裸露基桩的平均单桩承载力标准值 RK 1997kN 其平均承载力标准值相差 301kN 2 瞬态机械阻抗法动测结果 表 1 所示 未被扰动的基桩动刚度为 2 04 2 31 106kN m 被揭露 的基桩动刚度为 1 85 1 98 106kN m 由动刚度推算的平均单桩承载力标 准值分别为 2536 0kN 和 2252 0kN 两者相差 284kN 3 结果分析 上述试验结果表明 见表 1 被揭露的基桩因其侧摩阻减小 由经验公 式计算平均单桩承载力标准值比未被扰动的基桩减小 301kN 而由瞬态机械阻 抗法测得的基桩动刚度推算的平均单桩承载力标准值比未被扰动的基桩减小 284kN 表 1 瞬态机械阻抗法试验结果 桩 号 桩 径 mm 桩 长 m 动刚度 106kN m 推算单桩承载力标准值 kN E480010 62 2382686 E7 80010 61 8482218 F280010 42 0842501 F680010 42 3082770 F7 80010 51 9892387 F8 80010 41 8542225 G480010 72 0412449 G580010 61 8962272 G7 80010 71 8482218 G8 80010 91 8452214 注 为被隧道揭露的基桩 上述结果 由经验公式计算单桩承载力的减小 显然是基桩总侧摩阻力 减少所致 根据瞬态机械阻抗法测量动刚度的机理 简单讨论可以由被揭露 的基桩因有 1 3 周长 长度 6m 被裸露 桩土体系总质量 M 减小 动刚度被减 小来解释 Kd M 2m但由瞬态机械阻抗法动刚度表达式分析 影响动刚度的主要因素是基桩机械阻抗法导纳值 而导纳值是在动态力作用 下以桩土体系振动圆频率为自变量的复函数 jf F tx 即 4 动态圆频率改变时导纳值的幅值和相位均发生变化 这里不作详细讨论 3 静载荷试验与瞬态机械阻抗法 试验目的是通过静载荷试验和瞬态机械阻抗法分别对模型桩承载力进行 试验 试验选择 3 根直径 1000mm 桩长 12m 的钻孔灌注桩 在进行静载荷试验 前 采用机械阻抗法对 3 根桩进行了测试 之后进行静载荷试验 试验结 果如表 2 所示 表 2 动 静对比试验结果 桩 号 桩 径 mm 桩 长 m 动刚度 106Kn m 推算单桩承载力 标准值 kN 静载荷极限承载力 标准值 kN C1100012 42 6832146450 C2100011 62 5830976490 C3100012 02 6231446830 上述试验结果表明 两种测量方法得到的单桩承载力结果相对误差最大 为 7 9 最小为 0 34 三 结论 1 综上述试验研究 可以看出瞬态机械阻抗法推算单桩承载力标准值能 够满足工程检测的要求 其相对误差可控制在 10 以内 2 本次试验研究采用东方振动和噪声技术研究所研制的 INV306D 数据自 动采集和处理系统 该系统采用先进的变时基采样和传递函数分析处理 多 年实践经验表明 瞬态机械阻抗法测量基桩动刚度 除了要求有上述的先进 测试仪器和处理软件外 激振条件和拾振器的安装对测试结果的影响亦不容 忽视 3 由瞬态机械阻抗法推算单桩承载力标准值 如何选取容许沉降量和动 静比 这是一个十分重要而认识较为混乱的问题 笔者认为 严格的讲应根 据静载荷试验得到的承载力标准值所对应的沉降量作为容许沉降量 而由动 刚度与该沉降量和承载力标准值计算出的静刚度的比值作为该场地的动静比 在没有静载荷试验的情况下 应根据桩型 基桩参数确定允许沉降量和动静 比 但对同一场地 同种桩型上述 2 个参数应该不变